Новый метод значительно расширяет возможности изучения работы отдельных клеток
Исследователи разработали способ увеличить более чем в десять раз количество деталей об активности генов, которые можно получить из одной клетки. Это большой шаг вперёд в понимании развития рака, функций мозга, иммунитета и других биологических процессов, определяемых сложным взаимодействием множества различных типов клеток.
Органы и ткани состоят из клеток, которые могут выглядеть одинаково, но на самом деле сильно различаться. Анализ на уровне одной клетки позволяет изучать эту вариацию внутри органа, ткани или раковой опухоли. Однако исследования ограничивались небольшим объёмом информации, которую можно получить из одной клетки при работе с большим количеством клеток.
«Недостатком была низкая детализация профилей отдельных клеток. Наш метод позволяет получить гораздо более полный профиль любой данной клетки», — сказал Эндрю Адей, доктор философии, старший автор статьи в Nature Biotechnology. Адей — доцент кафедры молекулярной и медицинской генетики в Медицинской школе OHSU.
Новый метод обеспечивает примерно десятикратное улучшение количества ДНК, которую можно извлечь из одной клетки для секвенирования и интерпретации. Генетический код записан в ДНК последовательностью единиц, называемых основаниями. Секвенирование ДНК раскрывает порядок этих оснований и является первым шагом к пониманию генетического состава клетки и активности её генов.
Исследования на уровне одной клетки особенно важны для понимания рака. Клетки опухоли могут быть поразительно разнообразными. По мере роста опухоли разные клетки приобретают разные мутации ДНК. Некоторые из этих мутаций и изменений в активности генов приводят к появлению субпопуляций опухолевых клеток с новыми свойствами, такими как способность распространяться в другие части тела или сопротивляться противораковым препаратам.
Адей и коллеги показали, что их метод можно использовать для выявления изменений ДНК, возникших в подмножестве клеток в образцах опухолей пациентов с раком поджелудочной железы. Это важно, поскольку помогает понять, как популяции опухолевых клеток эволюционируют и становятся смертоносными.
«Например, можно потенциально идентифицировать редкие подтипы клеток внутри опухоли, устойчивые к терапии», — сказал Адей. Его команда уже начала работать с исследователями из Института рака Найта при OHSU, тестируя метод как способ выяснить, развили ли некоторые клетки в опухоли пациента устойчивость к конкретному химиопрепарату или таргетной терапии. Эти знания можно использовать для разработки индивидуальных планов лечения.
«Если вы работаете с чем-то вроде биопсии рака у пациента — очень маленьким кусочком ткани — вы действительно хотите, чтобы каждая клетка имела значение. Вы должны получить много информации от каждой отдельной клетки», — отметил Адей.
Новый метод основан на технике single-cell combinatorial indexed sequencing, которую Адей и коллеги разработали ранее. Это способ создания ДНК-библиотек (коллекций фрагментов ДНК для анализа генов и мутаций) для тысяч отдельных клеток одновременно. В процессе используется ферментативная реакция для присоединения праймеров к концам фрагментов ДНК. «Они похожи на ручки, за которые секвенатор цепляется, чтобы начать чтение», — объясняет Адей.
Хотя эта техника значительно увеличивает количество клеток, которые можно проанализировать в одном эксперименте, она имеет компромисс в виде разреженного покрытия читаемых последовательностей ДНК на клетку. Чтобы фрагмент можно было прочитать, праймер должен быть присоединён к обоим его концам, что в реакции происходит только в половине случаев.
Новый метод обеспечивает наличие праймеров на обоих концах у всех фрагментов библиотеки, одновременно повышая эффективность и в других аспектах. Исследователи заявили, что повышение эффективности имеет дополнительное преимущество — снижение стоимости секвенирования примерно на треть.
Адаптеры спроектированы таким образом, что можно использовать стандартные протоколы секвенирования вместо специальных методик и праймеров, требуемых конкурирующими методами. Это делает метод совместимым со многими различными тестами, обычно используемыми для изучения состояния отдельных клеток.
«Эта химия может просто встроиться во многие другие анализы, — сказал Адей. — Люди могут просто начать её использовать».